Content of ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr forms in sod-podzolic soils of Belarus in the long period of the accidents at the Chernobyl NPP

Толық мәтін

Биологическая доступность радионуклидов в значительной степени обусловлена состоянием и формами содержания их в почве, а распределение между твердой фазой почвы и почвенным раствором определяется процессами сорбции–десорбции, осаждения–растворения труднорастворимых соединений, коагуляции–пептизации коллоидных частиц.

В первые годы после аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) установлено влияние форм радиоактивных выпадений на подвижность радионуклидов в почвах. В аварийных выпадениях цезий находился в прочносвязанной форме в составе твердых топливных частиц. Значительная часть его являлась компонентом аэрозолей, что характерно для удаленных от ЧАЭС районов. В Беларуси это районы северной части Гомельской области и районы Могилевской области [1]. Поэтому, в начальный период после аварии наибольшей трансформации в почвах был подвержен ¹³⁷Cs в “дальней” зоне.Установлено, что доступность ¹³⁷Cs в почвах 30-километровой зоны в 1988–1989 гг. составляла в среднем 59%, а за ее пределами — 74% [2].

К октябрю 1986 г. значительная доля ¹³⁷Cs, попавшего в почву, находилась в необменном состоянии. Суммарное содержание водорастворимой и обменной форм составляло 16–36%, прочносвязанной формы — 36–71% [3].С увеличением времени контакта радионуклида с почвой происходило перераспределение отдельных его форм. Отмечается, что через год после аварии содержание обменной и подвижной форм ¹³⁷Cs в 30-километровой зоне уменьшилось в 1.2–1.3 раза, а за ее пределами — в 1.7–3.0 раз [4, 5].

На дерново-подзолистых почвах Гомельской области через 3.5 года после аварии относительное содержание ¹³⁷Cs в водорастворимом состоянии не превышало 1%, в обменном состоянии в луговых почвах 1.5–3%, в пахотных почвах — 5–10% [6, 7].

Приводятся данные [8], что в 1986 г. содержание ¹³⁷Cs в почвах в обменной форме варьировало от 5.4 до 55.0%. Содержание подвижного ¹³⁷Cs было выше в “дальней” зоне по сравнению с “ближней” в автоморфных почвах в 1,8 раза, в гидроморфных почвах — в 4.3 раза. Через 9 лет доля ¹³⁷Cs в обменной форме уменьшилась в 2.3–7.3 раза, в подвижной форме — в 1.0–2.6 раза.

Известно, что для ¹³⁷Сs характерны процессы селективной сорбции и необменной фиксации твердой фазой почв. Участвуя в кристаллохимических реакциях, он входит в межпакетные пространства кристаллических решеток глинистых минералов, где прочно закрепляется [9]. Поэтому важную роль играют минералогический и гранулометрический состав почв, структура глинистых минералов, форма и размеры частиц, содержание их в почвах [2].

Установлено, что сорбция ¹³⁷Cs более интенсивно происходит в гидроморфных почвах, за исключением торфяно-болотных почв [2]. Процессы фиксации ¹³⁷Cs в органогенных (торфяных) почвах протекают медленнее по сравнению с минеральными (дерново-подзолистыми) почвами вследствие того, что органические молекулы, адсорбируясь на поверхности глинистых частиц, препятствую процессу его сорбции на сорбционных центрах между краями кристаллической решетки и диффузии внутрь решетки [10].

Известно, что поведение в почве и доступность растениям ⁹⁰Sr отличается от ¹³⁷Cs. При сорбции ⁹⁰Sr решающую роль играет изоморфное замещение в минералах, содержащих Са²⁺ и Мg²⁺. Поэтому на состояние и закрепление ⁹⁰Sr в почвенном поглощающем комплексе (ППК) существенно влияет качественный и количественный состав минеральной части почвы, особенно содержание в ней илистых частиц, а также качественный состав органического вещества [11].

Основная масса ⁹⁰Sr выпала на почвенный покров в виде топливных частиц, часть его вступила во взаимодействие с ППК и участвовала в процессах сорбции и комплексообразования с минеральными и органическими компонентами почвы. Нерастворимая фракция ⁹⁰Sr на начальном этапе не участвовала в обменных процессах с ППК, а водорастворимая форма — постепенно перешла в обменную [12].

В первые годы после аварии вследствие выщелачивания ⁹⁰Sr из топливных частиц содержание его в почвах в доступных формах возрастало, а начиная с 1990 г. содержание форм радионуклида в дерново-подзолистых почвах стабилизировалось. Приводятся данные [3], показывающие, что в первый послеаварийный период содержание обменного ⁹⁰Sr в почвах для различных территорий радиоактивного следа варьировало от 4.7 до 31%, а примерно через 3–5 лет различия практически сглаживались. В настоящее время содержание доступных растениям форм (преимущественно обменной формы) ⁹⁰Sr в дерново-подзолистых почвах составляет 70%, в торфяных почвах — 50% [12].

Цель работы — изучить влияние степени увлажнения (гидроморфизма) и гранулометрического состава дерново-подзолистых почвах Беларуси на содержание и соотношение в них различных форм ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Исследования проводили на территориях “дальней” (Славгородский район Могилевской области) и “ближней” (Наровлянский и Хойникский районы Гомельской области) зон от ЧАЭС. Объектами исследования являлись почвы пахотных, луговых и залежных земель, загрязненные ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, включая: дерново-подзолистые автоморфные супесчаные почвы на водно-ледниковых рыхлых супесях; дерново-подзолистые глееватые супесчаные почвы на водно-ледниковых рыхлых супесях; дерново-подзолистые супесчаные почвы на моренных суглинках; дерново-подзолистые оглеенные внизу песчаные почвы на связных песках; дерново-подзолистые глееватые суглинистые почвы на маломощных суглинках.

Отбор проб почвы для анализа проводили согласно Методике крупномасштабного агрохимического и радиационного обследования почв сельскохозяйственных земель Республики Беларусь [13]. Смешанные почвенные образцы отбирали в весенний период (1–2-я декады апреля) тростевым буром на глубину 0–20 см. Смешанный образец состоял не менее чем из 60 уколов (объем пробы не менее 1 дм³), что для минеральных почв составляет 1.1–1.4 кг, а для торфяных — 0.4–0.5 кг. Формирование смешанных образцов проводили методом маршрутного хода по длинной диагонали элементарных участков сельскохозяйственных земель. Точечные пробы отбирали через равные промежутки. При отборе смешанных образцов производился замер глубины пахотного горизонта в пяти точках равномерно по маршруту их отбора с помощью тростевого бура с насечками через 5 см.

Спектрометрические измерения содержания ¹³⁷Cs производили для каждого смешанного образца. Определение удельной активности ¹³⁷Cs (Бк/кг) в исследуемых почвенных пробах выполняли на γ-β–спектрометре МКС-АТ1315. Основная относительная погрешность измерений при доверительном интервале Р = 95% не превышала 15–30%. Аппаратурная ошибка измерений не превышала 15%. Радиохимическое выделение ⁹⁰Sr проводили по МВИ. МН 1932–2003 [14, 15] c радиометрическим окончанием на низкофоновом α-β–счетчике “Canberra-S5E” с погрешностью не более 20%. Формы радионуклидов в почве определяли методом последовательного экстрагирования [16]. После обработки пробы воздушно-сухой просеянной почвы (<1 мм) экстрагентами выделяли следующие фракции (экстрагируемые формы) радионуклидов: водорастворимые формы (соотношение почва: дистиллированная вода 1:10); обменные формы (в 1 моль/л растворе CH₃COONH₄ с рН 7); подвижные формы (в 1 моль/л растворе НСl); кислотно-растворимые формы (в 6 моль/л растворе НСl); прочнофиксированные формы (в 8 моль/л растворе азотной кислоты).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования на дерново-подзолистых супесчаных автоморфной и глееватой почвах пахотных земель Славгородского района Могилевской области (“дальняя” зона от ЧАЭС) с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs соответственно 525 и 474 кБк/м² (14.2 и 12.8 Ки/км²) показали, что в водную вытяжку переходит 0.7–1.1% ¹³⁷Cs от общего его содержания. Это, как правило, растворимые комплексные его соединения, находящиеся с компонентами почвы в нейтральной и (или) анионной форме, а также катионы ¹³⁷Cs, десорбирующиеся из почвы по механизму ионного обмена. В ацетат-аммонийную вытяжку поступает 4.9–5.1% ¹³⁷Cs, представляющие в основном соединения, сорбированные в почвенно-поглощающем комплексе по механизму ионного обмена. Слабым раствором соляной кислоты извлекалось 3.5–4.7% от общего содержания ¹³⁷Cs. Это соединения, находящиеся в почве в необменном состоянии и не переходящие в почвенный раствор в обычных условиях. Сюда включаются также соединения, входящие в состав топливных частиц и нерастворимых радионуклид-органических комплексов. Все эти формы принято считать подвижными.

Между автоморфной и глееватой почвами различия по содержанию форм ¹³⁷Cs отмечались только по водорастворимой и подвижной формам. Автоморфная почва характеризовалась более высоким содержанием водорастворимой и меньшим — подвижной формы. Водорастворимая, обменная и подвижная формы ¹³⁷Cs считаются доступными растениям (табл. 1).

 

Таблица 1. Содержание форм ¹³⁷Cs в дерново-подзолистых супесчаных почвах разного гидроморфизма,% от общей концентрации

Table 1. The content of ¹³⁷Cs forms in sod-podzolic sandy loam soils of various hydromorphisms (in % of total concentration)

Почва	Загрязнение почв 137Cs	Доступные формы			Недоступные формы (кислото-растворимая, фиксированная)
		водорастворимая	обменная	подвижная
Пахотные земли (Славгородский район Могилевской области)
Дерново-подзолистая автоморфная	*1751 525(14,2)	1.1 **±30	4.9 ±7	3.5 ±6	90.5 ±7
Дерново-подзолистая глееватая	1581 474(12,8)	0.7 ±30	5.1 ±7	4.7 ±6	89.5 ±7
Залежные земли (Славгородский район Могилевской области)
Дерново-подзолистая автоморфная	2212 840(22,7)	1.6 ±30	8.3 ±7	4.9 ±6	85.2 ±7
Дерново-подзолистая глееватая	3475 992(26,8)	1.5 ±30	11.4 ±7	6.1 ±6	81.0 ±7

Примечание. *Над чертой — удельная активность ¹³⁷Cs в почве, Бк/кг (абс. сух. массы), под чертой — плотность загрязнения ¹³⁷Cs, кБк/м² (Ки/км²); **под чертой — погрешность измерения в процентах.

 

В сумме содержание доступных форм (водорастворимая, обменная, подвижная) ¹³⁷Cs составляло в дерново-подзолистой автоморфной почве 9.5%, недоступных форм (кислотно-растворимая, прочнофиксированная) — 90.5%. В дерново-подзолистой глееватой почве это соотношение было примерно таким же — 10.5 и 89.5%соответственно.

Исследования на дерново-подзолистых супесчаных автоморфной и глееватой почвах залежных земель с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs соответственно 840 и 992 кБк/м² (22.7 и 26.8 Ки/км²), выведенных из сельскохозяйственного пользования после аварии ЧАЭС, показали следующее. На залежных землях удельный вес недоступных форм ¹³⁷Cs (кислотно-растворимая, прочнофиксированная) был выше, чем на пахотных землях на 5.3% на автоморфных почвах и на 8.5% — на глееватых почвах. Доля доступных форм радионуклида (водорастворимая, обменная, подвижная) в автоморфных и глееватых почвах залежных земель была значительно выше по сравнению с пахотными землями и составила соответственно 14.8 и 19.0%. Увеличение содержания доступных форм ¹³⁷Cs произошло в основном за счет обменной формы.

Более высокое содержание в почвах пахотных земель по сравнению с почвами залежных земель недоступных форм ¹³⁷Cs и, следовательно, ниже доля доступных форм может быть следствием применения в качестве защитных мер на загрязненных землях повышенных доз фосфорных и калийных удобрений, а также известкование почв повышенными дозами доломитовой муки.

Изучено влияние гранулометрического состава почв на содержание в них разных форм ¹³⁷Cs. Исследования проводили на дерново-подзолистых легкосуглинистой, супесчаной и песчаной почвах на пахотных землях в Наровлянском и Хойникском районах Гомельской области (“ближняя” зона от ЧАЭС). Установлено, что количественное распределение ¹³⁷Cs по формам нахождения зависит от гранулометрического состава почвы, особенно по содержанию его обменной и подвижной форм. Так, в дерново-подзолистой песчаной почве на связных песках, характеризующейся низким содержанием глинистых минералов и физической глины в гранулометрическом составе, удельный вес этих форм ¹³⁷Cs составил соответственно 10.8 и 12.7%, а сумма доступных форм (водорастворимая, обменная, подвижная) — 23.6%. Недоступные формы (кислотнорастворимая, прочнофиксированная) занимали 76.4% (табл. 2).

 

Таблица 2. Содержание форм ¹³⁷Cs в пахотном горизонте (0–20 см) дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава

Table 2. The content of forms ¹³⁷Cs in the arable horizon (0–20 cm) of sod-podzolic soils of different granulometric composition

Форма радионуклида	Удельная активность, Бк/кг	Погрешность измерения, %	Доля от валового содержания, %
Дерново-подзолистая песчаная почва на связных песках (Наровлянский район, Гомельская область)
Водорастворимая форма	0.7	±30	0.1
Обменная форма	119	±7	10.8
Подвижная форма	140	±6	12.7
Кислоторастворимая форма	820	±6	74.5
Прочнофиксированная форма	21.2	±7	1.9
Дерново-подзолистая супесчаная почва на моренных суглинках (Хойникский район, Гомельская область)
Водорастворимая форма	0.4	±30	0.1
Обменная форма	23.6	±7	5.0
Подвижная форма	25.8	±7	5.5
Кислоторастворимая форма	408	±6	87.4
Прочнофиксированная форма	9.5	±8	2.0
Дерново-подзолистая глееватая легкосуглинистая почва на маломощных суглинках (Хойникский район, Гомельская область)
Водорастворимая форма	11	±8	0.4
Обменная форма	109	±6	3.5
Подвижная форма	228	±6	7.4
Кислоторастворимая форма	2620	±6	85.3
Прочнофиксированная форма	104	±7	3.4

 

В дерново-подзолистой супесчаной почве на моренных суглинках содержание обменной формы ¹³⁷Cs составило 5.0%, подвижной формы — 5.5%. В целом на доступные формы приходилось 10.6%, на недоступные формы — 89.4%, т. е. на 13% меньше, чем на песчаной почве.

В дерново-подзолистой легкосуглинистой почве на маломощных суглинках на долю недоступных растениям форм ¹³⁷Cs приходилось 88.7%, доступных форм — 11.3%, т. е. соотношение было как для супесчаных почв на моренных суглинках. Однако в суглинистой почве по сравнению с супесчаной почвой отмечено более высокое содержание ¹³⁷Cs в подвижной форме, но меньшее содержание в обменной форме.

Известно, что преобладающим механизмом поглощения ⁹⁰Sr твердой фазой почвы является ионный обмен, поэтому сорбция его зависит от концентрации в почве других катионов: Al³⁺ >Fe³⁺ >Ba²⁺ >Ca²⁺ >Mg²⁺ >K⁺ >NH₄⁺ >Na⁺ [11].

В исследованиях на пахотных и залежных землях Славгородского района Могилевской области (“дальняя” зона от ЧАЭС) на дерново-подзолистых супесчаных почвах на водно-ледниковых рыхлых супесях с плотностью загрязнения ⁹⁰Sr соответственно 74 и 93 кБк/м² (2.00 и 2.52 Ки/км²) установлено, что на почвах пахотных земель в водную вытяжку переходило 1,7% радионуклида от общего его содержания, в обменной форме находилось 52.0%, в подвижной форме — 30.6% и недоступной форме (кислоторастворимая, фиксированная) — 15.7%. В целом до 53.7% ⁹⁰Sr находилось в легкодоступных для растений формах (водорастворимая и обменная). На почвах залежных земель легкодоступные формы ⁹⁰Sr составили 61,1% (табл. 3).

 

Таблица 3. Содержание форм ⁹⁰Sr в дерново-подзолистых супесчаных почвах на водно-ледниковых рыхлых супесях (Славгородский район Могилевской области), % от общей концентрации

Table 3. The content of ⁹⁰Sr forms in sod-podzolic sandy loam soils on water-glacial loose sandy loams (in % of total concentration), Slavgorodsky district of Mogilev region

Загрязнение почвы 90Sr	Доступные формы			Недоступные формы (кислото-растворимая, фиксированная)
	водорастворимая	обменная	подвижная
Пахотные земли
*155 74 (2,00)	1.7 **±30	52.0 ±25	30.6 ±30	15.7 ±30
Залежные земли
254 93 (2,52)	0.9 ±30	60.2 ±26	33.7 ±35	5.2 ±30

Примечание. ^*Над чертой — удельная активность ⁹⁰Sr в почве, Бк/кг, под чертой — плотностьзагрязнения ⁹⁰Sr, кБк/м² (Ки/км²); **под чертой — погрешность измерения в процентах.

 

Изучено влияние гранулометрического состава дерново-подзолистых почв на содержание в них форм ⁹⁰Sr. Исследования проводили на легкосуглинистой, супесчаной и песчаной почвах пахотных земель Наровлянского и Хойникского районов Гомельской области (“ближняя” зона от ЧАЭС) (табл. 4).

 

Таблица 4. Содержание форм ⁹⁰Sr в пахотном горизонте (0–20 см) дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава

Table 4. The content of ⁹⁰Sr forms in the arable horizon (0–20 cm) of sod-podzolic soils of different granulometric composition

Вытяжки, форма радионуклида	Удельная активность, Бк/кг	Погрешность измерения, %	Доля от валового содержания, %
Дерново-подзолистая оглеенная внизу песчаная почва на связных песках (Наровлянский район, Гомельская область)
Водорастворимая форма	8.8	±30	10.4
Обменная форма	48.2	±18	56.8
Подвижная форма	17.1	±30	20.1
Кислоторастворимая форма	8.7	±30	10.2
Прочнофиксированная форма	2.1	±30	2.5
Дерново-подзолистая супесчаная почва на моренных суглинках (Хойникский район, Гомельская область)
Водорастворимая форма	7.4	±30	15.9
Обменная форма	20.4	±26	43.7
Подвижная форма	10.1	±41	21.6
Кислоторастворимая форма	7.8	±40	16.6
Прочнофиксированная форма	1.1	±40	2.2
Дерново-подзолистая глееватая легкосуглинистая почва на маломощных суглинках (Хойникский район, Гомельская область)
Водорастворимая форма	9	±35	9.1
Обменная форма	65.3	±17	66.4
Подвижная форма	16.2	±35	16.5
Кислоторастворимая форма	4.1	±40	4.2
Прочнофиксированная форма	3.7	±47	3.8

 

Поскольку ⁹⁰Sr поглощается глинистыми минералами по механизму ионного обмена в межслоевом пространстве, постепенно замещая обменные катионы (Са²⁺, Мg²⁺), до момента установления равновесия, то в отличие от ¹³⁷Cs, среди подвижных форм его во всех по гранулометрическому составу почвенных разностях преобладали обменные и легкорастворимые формы.Удельный вес доступных растениям форм радионуклида (водорастворимая + обменная + подвижная) составил в дерново-подзолистой песчаной почве 87.4%, в супесчаной почве — 81.2%, в легкосуглинистой почве — 92.0% от валового его содержания. В том числе на долю легкодоступных форм (водорастворимая + обменная) приходилось соответственно 67.2, 59.6 и 75.5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биологическая доступность радионуклидов с течением времени изменилась. За длительный послеаварийный период произошла трансформация в почвах физико-химических форм ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, наступило динамическое равновесие в их содержании. Соединения ¹³⁷Cs подверглись необменной фиксации, и содержание их в доступной для растений форме составляет незначительную долю — 5–15%. Соединения ⁹⁰Sr, наоборот, находятся преимущественно в легкодоступных формах, составляющих в дерново-подзолистых почвах от 60 до 75%, в среднем — 67%. Данный факт определяет высокие переходы ⁹⁰Sr в товарную продукцию растениеводства и корма, особенно на минеральных почвах.

Подвижность радионуклидов в почве определяется во многом генетическими свойствами почв, такими как степень гидроморфизма, гранулометрический состав. Выявлена тенденция снижения доли водорастворимых и обменных форм, доступных для растений, и увеличения доли фиксированных малодоступных форм, в почвах более тяжелого гранулометрического состава.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Отдельные этапы работы выполнены в рамках научного раздела Государственной программы по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС на 2021–2025 годы.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией статьи.

Авторлар туралы

Mikalai Tsybulka

International Sakharov Environmental Institute

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: nik.nik1966@tut.by
ORCID iD: 0000-0001-7746-6990

Doctor of Agricultural Sciences, Professor

Белоруссия, Dolgobrodskaya str., 23/1, 220070, Minsk

Yuri Putyatin

Institute of Soil Science and Agrochemistry

Email: put@tut.by

Doctor of Agricultural Sciences, Professor

Белоруссия, Kazinets str., 90, 220108, Minsk

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар